Die Arbeit befasst sich mit der effizienten Simulation des funktionellen Verhaltens von Piezoverbundmodulen als Aktor oder Sensor zur Schwingungsbeeinflussung mechanischer Strukturen. Ausgehend von einem FE-Modell werden über den Ansatz energetischer Äquivalenz die effektiven elektro-mechanischen Materialparameter ermittelt. Zur Berücksichtigung im Inneren der Einheitszelle liegender Elektroden werden die elektrischen Randbedingungen der Homogenisierungslastfälle angepasst. Die Homogenisierungslastfälle werden auch genutzt, um Phasenkonzentrationen für die Beanspruchungen der Verbundkomponenten zu ermitteln. Diese Phasenkonzentrationen werden eingesetzt, um aus dem effektiven Gesamtmodell die Beanspruchungen der Komponenten zu extrahieren. Zur dynamischen Modellbildung wird die Zustandsraumbeschreibung verwendet. Die Überführung einer piezo-mechanischen FE-Diskretisierung in ein Zustandsraummodell gelingt mit der Betrachtung der mechanischen Freiheitsgrade als Zustandsvariablen. Zur Abbildung der elektrischen Impedanz im Zustandsraum muss die elektrische Kapazitätsmatrix als Durchgangsmatrix einbezogen werden. Die Reduktion des Zustandsraums basiert auf der modalen Superposition. Die modale Transformationsbasis wird um Moden ergänzt, die die Verformung bei statischer elektrischer Erregung charakterisieren. Die Zustandsraumbeschreibung wird sowohl für eine Potential- als auch für eine Ladungserregung ausgeführt. Das Zustandsraummodell wird unter Verwendung von Filtermatrizen um Ausgangssignale für die mechanischen und elektrischen Beanspruchungsgrößen erweitert. Dies gestattet eine Kopplung der Zustandsraummodelle mit den Beanspruchungsanalysen. Die Anwendung der Berechnungsmethode wird am Beispiel der im SFB/TRR PT-PIESA entwickelten Piezo-Metall-Module demonstriert, die durch direkte Integration von piezokeramischen Basiselementen in Blechstrukturen gekennzeichnet sind.:1 Einleitung 2 Grundlagen 3 Stand der Forschung 4 Beanspruchungsermittlung für piezo-mechanische Verbunde 5 Zustandsraumbeschreibung piezo-mechanischer Systeme 6 Gesamtmodell 7 Zusammenfassung / This thesis deals with the efficient simulation of the functional behaviour of piezo composite modules for applications as actuators or sensors to influence vibrations of machine structures. Based on a FE-discretisation the effective electro-mechanical material parameters of the piezo composite modules are determined with an ansatz of energetic equivalence. To consider electrodes which are located inside the representative volume element the electrical boundary conditions of the load cases for homogenisation are adapted. The load cases for homogenisation are also used to determine the phase concentrations (or fluctuation fields) of stress/strain and electric field/electric displacement field in the composite constituents. These phase concentrations are required to extract stress and strain of the composite components based on the overall model with effective material parameters. For dynamical modelling a state space representation is used. The transformation of a FE-discretisation of the piezo-mechanical system into a state space model is possible by choosing the mechanical degree of freedom as state variables. For consideration of the electrical impedance in the state space model the electrical stiffness respectively capacitance matrix has to incorporate as feedthrough matrix. The dynamical model reduction of the state space model is based on modal superposition. For the correct reproduction of the electrical impedance the modal transformation basis has to be amended by deformation modes which represent the deformation behaviour due to static electrical excitation at the electrodes. The state space representation is built for potential and charge excitation. The state space model is enhanced by filter matrices to incorporate output signals for stress/strain and also for electric field/electric displacement field. This allows the coupling of the state space models with the stress analyses. The application of the simulation method is demonstrated using the example of the piezo-metal-modules developed in the CRC/TR PT-PIESA (German: SFB/TRR PT-PIESA). These piezo-metal-modules are characterised by direct integration of piezoceramic base elements in sheet metal structures.:1 Einleitung 2 Grundlagen 3 Stand der Forschung 4 Beanspruchungsermittlung für piezo-mechanische Verbunde 5 Zustandsraumbeschreibung piezo-mechanischer Systeme 6 Gesamtmodell 7 Zusammenfassung

Das Zugtragverhalten von bewehrten und unbewehrten Bauteilen wird von einer Vielzahl von Faktoren beeinflusst. Maßgeblich wird es von der Festigkeit des verwendeten Betons, dem Verbundverhalten zwischen Bewehrung und Beton sowie vom vorhandenen Spannungszustand im Bauteil bestimmt. In der Regel werden im täglichen Planungsgeschäft des Ingenieurs einaxiale Spannungszustände unter Berücksichtigung der Materialeigenschaften des Betons aus den Standardprüfungen betrachtet. Jedoch treten in einer Vielzahl von Anwendungen mehraxiale Spannungszustände auf. Beispielhaft sollen hier Bereiche von zweiachsig spannenden Deckenplatten, in Bereichen von Rahmenecken, rotationssymmetrischen Bauwerkshüllen sowie bei Brückenbauwerken mit durchlaufender Fahrbahn im Bereich der Stützen genannt werden. Normative Regelungen sehen bisher im Falle einer zweiaxialen Druckbeanspruchung lediglich die Erhöhung der Druckfestigkeit bzw. Verbundspannung vor. Regelungen zur Festigkeit des Betons unter zweiaxialer Zugbelastung existieren dagegen nicht. Daraus abgeleitet stellt sich die Frage, welchen Einfluss eine zweiaxiale Zugbeanspruchung auf das Festigkeits- und Verformungsverhalten von unbewehrten und bewehrten Bauteilen ausübt. Mit Blick auf übliche Konstruktionsbetone sollen diese Fragestellungen für einen Beton C20/25 und C40/50 geklärt werden. Im Rahmen eines Forschungsvorhabens wurden hierzu Versuche an unbewehrten Betonsscheiben und gemischt bewehrten Bauteilen durchgeführt. Das im CEB-FIP MODELL CODE 90 vorgestellte Modell zur Beschreibung des einaxialen Spannungs-Dehnungs-Verhaltens bildet das reale Verhalten von Beton unter zweiaxialer Zugbelastung nur ungenügend ab. Hierfür werden Modelle zur Beschreibung des Verformungsverhaltens von Beton unter Berücksichtigung von zweiaxialen Spannungszuständen für einen Beton C20/25 und C40/50 entwickelt. Weiterhin werden Bruchkriterien für die zwei Betonsorten vorgestellt, mit denen die Zugfestigkeit des Betons unter zweiaxialer Zugbelastung bestimmt werden kann. Während bei einem Beton C20/25 die zweiaxiale Zugfestigkeit annähernd der einaxialen Zugfestigkeit entspricht, so nimmt die Zugfestigkeit des Betons C40/50 unter zweiaxialer Zugbelastung um ca. 25% ab. Hinsichtlich der Bruchdehnungen unter zweiaxialer Zugbelastung wurde festgestellt, dass diese mit steigendem Spannungsverhältnis 1 : 2 abnehmen. Darüber hinaus bilden die Modelle zur Bestimmung des Spannungs-Dehnungs-Verhaltens des unbewehrten Betons die Versuchsergebnisse sehr gut ab. Mit Hilfe der hier vorliegenden Ergebnisse können somit das Verformungs- und Festigkeitsverhalten von Beton unter zweiaxialer Zugbelastung sehr gut abgebildet werden. In Bauteilversuchen wurde das Verformungsverhalten unter zweiaxialer Zugbelastung von gemischt bewehrten Bauteilen untersucht. Die Bestimmung der Verformungen erfolgte hierbei mittels Dehnmessstreifen auf der Betonoberfläche, dem schlaffen Bewehrungsstahl und dem im nachträglichen Verbund liegenden Spannglied. Ein indirekter Nachweis des Einflusses auf das Verbundverhalten des Spanngliedes erfolgte. Es wurde aufgezeigt, dass unter zweiaxialer Zugbelastung die Dehnungen im Spannstahl infolge der Längsrissbildung über dem Hüllrohr abnehmen. Dies lässt die Aussage zu, dass die Verbundwirkung des Spanngliedes durch eine orthogonal wirkende Zugbelastung negativ beeinflusst wird. Aufbauend auf den Versuchsergebnissen wird eine Empfehlung für den Einsatz von Dehnmessstreifen zur Bestimmung der Verformungen auf einbetonierten Betonstählen gegeben. Die Berechnung der Erstrisslasten aus den Bauteilversuchen mit den entwickelten Bruchkriterien hat eine sehr gute Übereinstimmung ergeben. / The tensile load-bearing characteristics of structural elements made of reinforced or non-reinforced concrete is influenced by a number of factors. Mainly it depends on the strength of the concrete, the interaction between the concrete and the rebar, and the state of stress in the concrete element. Traditionally the designing engineer examines uni-axial stress conditions under consideration of the material properties of the concrete based on standard tests. However, multiple-stress conditions apply for a number of application of such elements, e.g. in concrete slabs designed for bi-axial load bearing, in the joints of frames, in axial symmetrical constructions, or in the intersections of column and deck of multi-span bridges. The commonly used design standard recommends the increase of the compression strength of the concrete or the bond stress for cases of bi-axial load-bearing caused by compression. However, no recommendations are given for the design strength of a concrete under bi-axial tensile stress. Therefore it is interesting to know how a bi-axial tensile stress is influencing the load-bearing and deformation behaviour of structural elements made of reinforced or non-reinforced concrete. This has been investigated for two commonly used concretes (C20/25 and C40/50). Part of an earlier research programme was to perform trials on slabs made of reinforced and non-reinforced concrete. In result a model CEB-FIP MODELL CODE 90 was introduced to describe the deformation of the slab due to a uni-axial stress. However, the model does not satisfactory describe the real behaviour of the slab under a bi-axial tensile stress. In this dissertation a new model will be presented to describe the deformation behaviour of a Concrete C20/25 and a Concrete C40/50 under bi-axial tensile stress. Furthermore, criteria for the two concretes are introduced to describe the ultimate limit state under bi-axial tensile stress. It has been found the bi-axial tensile strength of a Concrete C20/25 is comparable to its uni-axial strength. In difference, the tensile strength of a Concrete C40/50 is decreased by 25% when subject to bi-axial stress. The ultimate limit stress due to bi-axial tensile stress decreases with increasing ratio of the stress 1 : 2. The Strains 1 and 2 are the strains as a result of the biaxial tensile forces in the main directions. The presented model to describe the strain-stress behaviour of an unreinforced concrete is found to agree well with the observations from the trials. Based on the results of this thesis it is possible to describe the strain-stress behaviour of concrete under bi-axial tensile stress. The stress-strain behaviour of structural elements has been investigated under bi-axial tensile stresses. Strains have been monitored with strain-gauges fixed to the surface of the concrete, to the rebars and to the post-tensioning tendons. Therefore, the influence to the interaction of tendon and concrete has been demonstrated indirectly. Furthermore, it has been shown the strain of the tendon decreases following the development of cracks along the grout tube due to the application of bi-axial tensile stress. It can be concluded the bound of the tendon is influenced adversely by tensile stresses applied in perpendicular direction. Recommendations are given for the application of strain-gauges to measure strains of rebars set in concrete. Based on these trials, the estimation of the critical stress to develop initial cracks has been found in good agreement to the presented criteria.

Mg-Druckgusslegierungen sind aufgrund ihrer geringen Dichte potenzielle Leichtbauwerkstoffe. Ihre Festigkeitseigenschaften werden durch erhöhte Temperatur und die druckgussprozessbedingte Porosität maßgeblich beeinflusst. Zur Auslegung zyklisch belasteter Mg-Druckgussbauteile für eine begrenzte Betriebsdauer kann das Örtliche Konzept verwendet werden. Im Örtlichen Konzept nimmt das zyklische Werkstoffverhalten eine zentrale Rolle ein. Es umfasst das zyklische Verformungsverhalten und das zyklische Ermüdungsverhalten. Zur Beschreibung des zyklischen Werkstoffverhaltens werden die zyklische Spannungs-Dehnungs-Kurve für das Verformungsverhalten und die Dehnungswöhlerlinie für das Ermüdungsverhalten verwendet. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, die Einflüsse Temperatur und Porosität auf das zyklische Werkstoffverhalten der Mg-Druckgusslegierungen AZ91 und AM50 quantitativ zu erfassen. Dazu wird ein objektives Regressionsverfahren ermittelt, mit dem die zyklische Spannungs-Dehnungs-Kurve und die Dehnungs-Wöhler-Linie gemeinsam unter Einhaltung der Kompatibilitätsbedingungen aus den Daten einer Versuchsreihe regressiert werden können. Desweiteren wird eine Methodik entwickelt, mit der Ansätze zur quantitativen Erfassung von Einflüssen auf das zyklische Werkstoffverhalten aus Versuchsdaten abgeleitet werden können. Diese Methodik wird zur Untersuchung der Einflüsse Temperatur und Porosität auf das zyklische Werkstoffverhalten der Mg-Druckgusslegierungen AZ91 und AM50 angewendet. Die Untersuchungsergebnisse und deren Validierungen werden in dieser Arbeit vorgestellt. / Die-cast magnesium alloys are potential light-weight materials due to their low density. Their mechanical properties are significantly affected by elevated temperatures and by porosity, which die castings are especially prone to. The local strain approach can be used for dimensioning cyclically loaded magnesium die castings for a limited service life. The central role of this approach is assigned to the cyclic material behaviour. The cyclic material behaviour includes the cyclic deformation behaviour and the cyclic fatigue behaviour. It is characterized by the stress-strain curve for the cyclic deformation behaviour and by the strain-life curve for the cyclic fatigue behaviour. In the present work the aim is to describe the influence of elevated temperatures and of porosity on the cyclic material behaviour quantitatively. Therefore, a method is developed, which allows an objective and combined regression of the stress-strain curve and the strain-life curve for one test series. Furthermore, a methodology is developed, for deriving a formulation from experimental data to describe an arbitrary influence on the cyclic material behaviour quantitatively. This methodology is used to study the influences of elevated temperature and of porosity on the cyclic material behaviour of the die-cast magnesium alloys AZ91 and AM50. The results of the investigations and their validation are presented in this treatise.

The overall objective of this study was to develop an optimised Ultra-High-Performance Concrete (UHPC) matrix based on the modified Andreasen and Andersen optimum particle packing model by using available South African materials. The focus of this study was to determine the optimum combined fibre and superplasticiser content for UHPC by using a response surface design. The UHPC was appropriately designed, produced and tested. Various changes in mechanical properties resulting from different combinations of steel fibre and superplasticiser contents was investigated. The flowability, density and mechanical properties of the designed UHPC were measured and analysed. Both the fibre and superplasticiser content play a significant role in the flowability of the fresh concrete. The addition of fibres significantly improved the strength of the concrete. The results show that the superplasticiser content can be increased if a more workable mix is required without decreasing the strength significantly. The statistical analysis of the response surface methodology confirms that the designed models can be used to navigate the design space defined by the Central Composite Design. The optimum combined fibre and superplasticiser content depend on the required mechanical properties and cost. Using the modified Andreasen and Andersen particle packing model and surface response design methodology, it is possible to efficiently produce a dense Ultra-High-Performance Fibre Reinforced Concrete (UHPFRC) with a relatively low binder amount, low fibre content and good workability. The effect of heat curing on the mechanical properties was investigated. It was concluded that heat curing is not recommended when considering the long-term strength development. The estimated strength development of concrete obtained by using the fib Model Code 2010 (2013) does not incorporate the detrimental effect of high curing temperatures on long-term strength and therefore overestimate the long-term strengths. The strength estimates for both early and long-term ages can be improved by considering this effect in the strength development functions obtained from fib Model Code 2010 (2013). The effect of specimen size on the compressive and flexural tensile strength of UHPFRC members were established. It was found that the specimen size has a significant effect on the measured cube compressive strength. Smaller beam specimens showed higher ductility compared to those of the larger beam specimens. The crack width decreased as the beam’s depth decreased. A lower variability was experienced in the beams with limited depth (< 45 mm). Further testing is required to determine whether a span-to-depth ratio of 10 would yield optimum results. The utilisation of by-products, such as undensified silica fume and fly ash, as cement replacement materials makes UHPFRC sustainable, leading to a reduced life-cycle cost. The calculated Embodied Energy per unit strength (EE/unit strength) and Embodied Carbon per unit strength (EC/unit strength) values for the UHPFRC mixture yield lower values compared to that of the 30 MPa concrete mixture, indicating that UHPFRC can be used to reduce the environmental footprint of the concrete industry. The inverse analysis method used was successful in providing an improved simplified stress-strain response for the UHPFRC. The analysis provided valuable information into the stress-strain, load-deflection and moment-curvature responses of the UHPFRC. Standard material test results were used to theoretically calculate moment-curvature responses and were then compared to the experimental results obtained. The study demonstrated that it is possible to efficiently produce a dense and workable UHPFRC with relatively low binder amount and low fibre content. This can result in more cost-effective UHPFRC, thus improving the practical application thereof. / Dissertation (MEng)--University of Pretoria, 2020. / Civil Engineering / MEng (Structural engineering) / Unrestricted

Diese Arbeit basiert auf der Untersuchung von hochfesten und ultrahochfesten Betonen mit und ohne Fasern unter zwei- und dreiaxialer Druckbeanspruchung. Die Auswirkung der unterschiedlichen Betonzusammensetzung ist für verschiedene Beanspruchungen nicht gleich ausgeprägt, dennoch konnten grundlegende Zusammenhänge herausgearbeitet werden. Anhand der Bruchbilder konnten die drei Versagensmechanismen Druck-, Spalt- und Schubbruch identifiziert werden, deren Charakteristik über die Kalibrierung an vier speziellen Versuchswerten direkt in das Bruchkriterium einfließen. Dieses stellt eine Erweiterung der Formulierung von OTTOSEN dar, so dass das spröde und z. T. anisotrope Verhalten von Hochleistungsbeton berücksichtigt wird. Die beobachteten Spannungs-Dehnungs-Verläufe korrelieren mit den Versagensformen. Deshalb wird ein Stoffgesetz getrennt für den Druck- und den Zugmeridian aufgestellt, dessen Parameter sich mit zunehmendem hydrostatischen Druck verändern. In die Anfangswerte fließen die Betonzusammensetzung und herstellungsbedingte Anisotropien ein. Die lastinduzierte Anisotropie infolge einer gerichteten Mikrorissbildung wird in dem vorgestellten Stoffgesetzt über richtungsabhängige Parameter ebenfalls berücksichtigt.

Die Forschung an Carbonbeton konzentrierte sich bisher überwiegend auf die Untersuchung des Tragverhaltens unter Zugbeanspruchung und die Entwicklung entsprechender Bemessungsmodelle für grundlegende Belastungsarten. Zur vollständigen und detaillierten Klärung des Tragverhaltens von Carbonbetonkonstruktionen ist es jedoch notwendig, das Verhalten unter Druckbeanspruchung zu kennen, da erste Erkenntnisse reduzierte Druckfestigkeiten vermuten lassen. In der Dissertation werden erste systematische Untersuchungen zum Tragverhalten von Carbonbeton unter einaxialer Druckbeanspruchung durchgeführt. Ein optimierter Versuchsaufbau erlaubte es, eine Vielzahl von Einflussparametern, wie z. B. die Textilgeometrie, Garnstärke, Tränkung oder die Ausrichtung der Gelege, zu untersuchen. Die Auswertung des umfangreichen Versuchsprogrammes erfolgte hauptsächlich an Hand der aufgenommenen Spannungs-Dehnungs-Beziehungen in Längs- und Querrichtung und den Bruchbildern. Ergänzend zu den Versuchen wurden nummerische Untersuchungen hinsichtlich der Spannungsverteilungen im Probekörper durchgeführt. Als Ergebnis der Arbeit konnte das Tragverhalten von Carbonbeton unter einaxialer Druckbeanspruchung ergründet werden. Grundlegend wurde ein anisotropes Verhalten von Carbonbeton unter Druck festgestellt. Die beobachteten Druckfestigkeiten waren dabei stark von der Ausrichtung der Gelege zur Druckbeanspruchung und vom vorhandenen Bewehrungsgrad abhängig. Basierend auf diesen Feststellungen werden zwei verschiedene Bemessungsmodelle zur Beschreibung der Druckfestigkeitsreduktion vorgeschlagen.:1 Einleitung 1.1 Problemstellung 1.2 Zielstellung 1.3 Aufbau 2 Stand des Wissens 2.1 Durchführung einaxialer Druckversuche 2.1.1 Allgemein 2.1.2 Probekörpergröße 2.1.3 Probekörperform 2.1.4 Toleranzen bei Druckversuchen 2.1.5 Lasteinleitung 2.2 Textilbeton 2.2.1 Allgemein 2.2.2 Betonmatrix 2.2.3 Textile Bewehrung 2.2.4 Herstellung 2.2.5 Tragverhalten von Textilbeton unter Zugbeanspruchung 2.2.6 Tragverhalten unter Querzugbeanspruchung 2.2.7 Tragverhalten von Textilbeton unter Druckbeanspruchung 2.2.8 Verbundverhalten von Textilbeton 2.3 Tragverhalten von Beton unter Druck - Heterogenität 2.3.1 Allgemein 2.3.2 Normalbeton 2.3.3 Leichtbeton 2.3.4 Faserbeton 2.3.5 Beton mit Einlagen 2.3.6 Gerissener Stahlbeton - zweiaxiale Belastung 2.4 Vergleichsmodell - Anisotropes Gestein unter Druckbeanspruchung 2.4.1 Schulter-Typ Gesteinsmodelle 2.4.2 U-Typ Gesteinsmodelle 2.5 Zusammenfassung 3 Experimentelle Methodik 3.1 Materialien 3.1.1 Betone 3.1.2 Textilien 3.2 Probekörper 3.2.1 Probekörpergeometrie 3.2.2 Herstellung 3.2.3 Qualitätskontrolle 3.3 Versuchsstand 3.3.1 Vorbetrachtungen 3.3.2 Prüfapparatur 3.3.3 Messtechnik 3.3.4 Versuchsdurchführung 3.4 Versuchsprogramm 3.5 Auswertung 4 Versuchsergebnisse und Tragverhalten unter einaxialer Druckbelastung 4.1 Referenzserie 4.2 Unbewehrte laminierte Versuche 4.2.1 Tragverhalten in Längsrichtung 4.2.2 Tragverhalten in Querrichtung 4.2.3 Bruchbilder 4.2.4 Charakteristische Punkte 4.2.5 Elastizitätsmodul 4.3 Bewehrte laminierte Versuche 4.3.1 Tragverhalten in Längsrichtung 4.3.2 Tragverhalten in Querrichtung 4.3.3 Versagenstypen 4.3.4 Charakteristische Punkte 4.3.5 Elastizitätsmodul 4.4 Bewehrte gegossene Versuche 4.4.1 Tragverhalten in Längsrichtung 4.4.2 Tragverhalten in Querrichtung 4.4.3 Versagenstypen 4.4.4 Charakteristische Punkte 4.4.5 Elastizitätsmodul 4.5 Zusammenfassung zum Tragverhalten 5 Numerische Untersuchungen 5.1 Modell 5.1.1 Materialmodell - Beton 5.1.2 Materialmodell - EP 5.1.3 Modellbildung 5.2 Untersuchungsergebnisse 5.2.1 Referenzserie 5.2.2 Bewehrte Serien - Öffnungen 5.2.3 Bewehrte Serien - gefüllte Öffnungen 5.3 Erkenntnisse zum Tragverhalten 6 Einflussparameter auf die Druckfestigkeit von Carbonbeton 6.1 Bezugssystem der Auswertung 6.2 Herstellung 6.2.1 Ein2uss des Handlaminierverfahrens 6.2.2 Ein2uss des Gießverfahrens 6.3 Lagenabstand 6.3.1 Bewehrte laminierte Serien 6.3.2 Bewehrte gegossene Serien 6.4 Maschenweite 6.4.1 Bewehrte laminierte Serien 6.4.2 Bewehrte gegossene Serien 6.5 Garnstärke 6.6 Effektiver Flächenanteil kA,eff 6.7 Anordnung 6.7.1 Versetzte Anordnung der Textilebenen 6.7.2 Verdrehte Anordnung in der Textilebene 6.8 Tränkung 6.9 Festigkeit 6.10 Zusammenfassung der Hauptein2ussparameter 7 Berechnungsmodell und Bemessungsvorschlag 7.1 Allgemein 7.2 Berechnungsmodell für Festigkeiten 7.2.1 Allgemein 7.2.2 Herleitung 7.2.3 Kritik 7.3 Vorschlag für Bemessungsmodell 7.3.1 Allgemein 7.3.2 Herleitung 7.3.3 Kritik 8 Zusammenfassung und Ausblick 8.1 Zusammenfassung 8.2 Ausblick Literaturverzeichnis A1 Verwendete Textilien A2 Erläuterung zur Auswertung der Einzelversuche A3 Zusammenstellung der untersuchten Serien A4 Ergebnisse der numerischen Berechnungen A5 Untersuchte Gesteinsmodellen

En la actualidad, se puede observar situaciones en las que el terreno sufre constantes cambios debido a factores climáticos, geológicos, sísmicos, y demás fenómenos naturales, provocando movimientos que ocasionan la falla del talud. Por lo cual, cada proyecto de ingeniería debe tener como objetivo principal velar por la integridad del usuario final, interviniendo de manera adecuada en un diseño óptimo para cada situación, ya que esto depende de las características, condiciones y necesidades propias de cada proyecto, no dejando de lado la logística, aérea o terrestre, necesaria. El proyecto de ingeniería en el cual se enfoca la tesis es la “Rehabilitación Integral del Ferrocarril Huancayo Huancavelica”, donde el tramo de estudio elegido es entre las estaciones Mariscal Cáceres y Acoria. Este tramo analizado presenta socavación y deslizamientos o flujos que incrementan paulatinamente debido a las vibraciones ocasionadas por el paso del tren, por agentes naturales y climáticos. También, se evidencia la ausencia de estructuras de soporte y la falta de mantenimiento constante en las progresivas km 86+154 al km 86+208. Este problema puede traer consigo la falta de acceso de pasajeros y/o transporte de mercancías y mineral, a los pueblos que une la línea ferroviaria. Frente a la problemática en mención, existen varias opciones de reforzamiento estructural para el mejoramiento de la capacidad portante del suelo e incluso desde una visión más general existen diferentes tipos de muros de contención. Por ende, una solución óptima frente a nuestra problemática es el uso de suelos reforzados con paramento de gavión como estructura de soporte y protección. El diseño de muro de suelo reforzado para el tramo estudiado se realizó considerando la teoría de equilibrio límite de la metodología de “Diseño por Esfuerzos Admisibles” (ASD - Allowable Stress Design) basada en las recomendaciones de la guía FHWA-NHI-00-043 y las consideraciones en el método de diseño de la “American Association of State Highway and Transportation Officials” (AASHTO). La metodología ASD consiste en evaluar la estabilidad externa e interna en todos los esfuerzos límites de resistencia, mientras que la estabilidad global y el desplazamiento vertical u horizontal se evalúan en los estados límites de servicio. Para el análisis de la estabilidad del muro se utilizó los softwares SLIDE (equilibrio límite) y PLAXIS (elementos finitos), en el cual se concluye que el diseño propuesto de muro de suelo reforzado para la estructura ferroviaria en el tramo estudiado es estable, ya que los valores de los Factores de Seguridad (F.S.) superan los valores mínimos y el desplazamiento horizontal no supera al valor máximo permitido recomendado por la Federal Highway Administration en la publicación FHWA-NHI-00-043. / At present, situations can be observed in which the terrain undergoes constant changes due to climatic, geological, seismic factor s, and other natural phenomena, causing movements that cause the slope to fail. Therefore, each engineering project must have as its main objective to ensure the integrity of the end user, intervening appropriately in an optimal design for each situation, since this depends on the characteristics, conditions, and needs of each project, without leaving aside the necessary air or ground logistics. The engineering project on which the thesis is focused is the "Integral Rehabilitation of the Huancayo Huancavelica Railway", where the section of study chosen is between the Mariscal Cáceres and Acoria stations. This section analyzed presents landslides or debris flow that gradually increase due to the vibrations caused by the passage of the train; furthermore, there is evidence of the absence of support structures and the lack of maintenance in the progressive km 86+154 to km 86+208. This problem brings with it the lack of access for passengers and/or transport of merchandise and minerals, to the towns that the railway line connects. Faced with the problem in question, there are several options for structural reinforcement to improve the bearing capacity of the soil and even from a more general view there are different types of retaining walls. Therefore, an optimal solution to our problem is the use of reinforced soil as a support structure. The design of the reinforced soil wall for the section studied was carried out considering the theory of limit equilibrium of the methodology of "Design by Allowable Stress Design" (ASD - Allowable Stress Design) based on the recommendations of the guide FHWA-NHI- 00-043 and the considerations in the American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO) design method. The ASD methodology consists of evaluating the external and internal stability in all the resistance limit stresses, while the global stability and the vertical or horizontal displacement are evaluated in the service limit states. For the analysis of the stability of the wall, the software SLIDE (limit equilibrium) and PLAXIS (finite elements) were used, in which it is concluded that the proposed design of reinforced soil wall for the railway structure in the studied section is stable since the values ​​of the Safety Factors (FS) exceed the minimum values ​​and the horizontal displacement does not exceed the maximum allowed value recommended by the Federal Highway Administration in publication FHWA-NHI-00-043. / Tesis

This work deals with problem of dental implant area, where there are many problems at the dental implants application. The essential issue is the bone tissue quality at implant application, which sig-nificantly influences its deformation, tension and the possibility of subsequent implant failure. The knowledge of bone tissue mechanical properties of mandible and mandible with applied implant can significantly affect prediction of dental implant failure. The mechanical interaction can be described by variable determining deformation and tension of solved system. For this reason the computational modeling by using Finite Element Method was used for solving given problem. The computational model creation of solved system on the high resolution level is necessary for biomechanical assessment of implant failure, including bone tissue quality. For this purpose the biomechanical study was performed, which significantly spreads range of solved problem in this work afterwards. In this work the methodology, which describes assessment of bone tissue quality where the implant should be applied as well as mutual interaction, is presented. The results confirm necessity of bone tissue computational models creation on high resolution level including complex trabecular architecture. In this work the creation of trabecular structure computational model from data gained on micro-CT device is described. Further, the trabecular structure computational model was created on the 3D level with dental implant and the stress strain analysis was performed consequently. The last part of this work deals with introductory study of bone tissue modeling and remodeling.

Hochduktiler Beton ist ein mit kurzen Kunststofffasern bewehrter Hochleistungs-verbundwerkstoff auf Zementbasis, der unter Zugbelastung eine hohe nichtelastische Verformbarkeit und ein verfestigendes Materialverhalten aufweist. Dieses Verhalten wird durch die Zugabe von diskontinuierlich verteilten Kurzfasern aus Kunststoff erzielt. In der vorliegenden Arbeit wurden einachsige Bauteilzugversuche durchgeführt auf deren Basis das globale und lokale Zugtragverhalten der großformatigen Versuchskörper beschrieben werden kann. Ausgangspunkt sind experimentelle Untersuchungen zum Tragverhalten des Stabstahls und des hochduktilen Betons sowie zu deren gemeinsamen Verbundverhalten. Die Untersuchungen zeigen, dass der Herstellungsprozess das Betongefüge und damit auch das mechanische Verhalten von hochduktilem Beton beeinflusst und dieser auf Grund seiner Zusammensetzung ein ausgeprägtes Schwindverhalten aufweist. Beides muss bei der Untersuchung großformatiger Versuchskörper berücksichtigt werden. Dazu wurden sowohl unbewehrte als auch bewehrte Dehnkörper mit unterschiedlichem Bewehrungsgehalt unter kontrollierten Herstellungsbedingungen in einem konventionellen Mischwerk hergestellt. Die Ergebnisse der experimentellen Untersuchung erlauben die Abbildung des Last-Verformungsverhaltens unter Berücksichtigung der hohen Schwindmaße durch isoliert ermittelte Spannungs-Dehnungs-Beziehungen des hochduktilen Betons und des reinen Stahls. Dieses Verfahren erlaubt eine einfache Beschreibung des kombinierten Tragverhaltens unter Berücksichtigung der rissüberbrückenden Wirkung der Fasern. / SHCC is an advanced construction material developed especially for strain-hardening, quasi-ductile behaviour. Both are achieved through the combined interaction of short polymer fibres dispersed in the cementitious matrix. The resulting tensile behaviour of SHCC is characterized by a progressive formation of multiple cracks and high strain capacity, which influences the structural behaviour especially in combination with steel reinforcement. This thesis reports on experimental investigations to analyse the load-bearing behaviour of R/SHCC members. The investigations included the determination of relevant material properties as well as uniaxial tension tests on steel reinforced slab elements. The aim was to study the effect of multiple cracking on the bond interaction with steel reinforcement and their combined load-deformation behaviour. Specific attention was also given to the influence of the production process and shrinkage behaviour of SHCC. It was shown that production and size related changes of material properties influence the cracking behaviour of SHCC, which can lead to a significant reduction of tensile strain capacity in a structural element. The interaction with steel reinforcement, on the other hand, was found to facilitate multiple cracking and enhance tensile strain capacity during the stage of elastic steel deformations. However, a mutual dependency of SHCC fracture and plastic steel deformations could be observed in the post-yielding stage of the steel rebar. The experimental results were discussed with respect to their implications for constitutive modelling of the tensile load-bearing behaviour. The resulting relationships are based upon the individual material behaviour as well as their bond interaction. Further to that, the effects of SHCC shrinkage and early strain-hardening of steel reinforcement were assessed based on the experimental data. These results contribute to the understanding of the mechanical processes in order to determine the behaviour of steel reinforced SHCC for practical applications.

An investigation of the microstructure-mechanical property relationships for gray cast iron and a vintage ASTM A7 steel are presented herein. Gray cast iron was shown to have a moderate sensitivity to strain rate and a large disparity in behavior between compression, tension, and torsion. ASTM A7 steel was shown to behave in a more complex manor with the strain rate sensitivity having a negative relationship in tension and positive relationship in compression and torsion, the tensile stress-state producing the highest stress response, and the material producing a higher stress response when exposed to elevated temperatures. The counterintuitive behavior observed in A7 steel was attributed to dynamic strain aging. The Mississippi State University Internal State Variable Plasticity-Damage model was updated to accurately capture negative strain rate sensitivity and DSA embrittlement by developing kinematic, thermodynamic, and kinetic constitutive relationships for dynamic strain aging. A parametric study was performed to elucidate the behavior of the new internal state variable for dynamic strain aging. Gray cast iron was successfully calibrated to a pre-DSA version of the plasticity-damage model and A7 steel was successfully calibrated to the updated plasticity-damage model.